机器人学：建模、规划与控制
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更新于2024-07-22
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收藏 8.71MB PDF 举报 "Robotics, Modelling, Planning and Control" 是一本关于机器人学的经典教材，涵盖了机器人建模、规划和控制的基础知识。该书特别强调了视觉控制、运动规划和移动机器人的主题，并且通过一系列逐步递进的理论和技术内容，引导读者深入理解机器人技术。
本书首先介绍了机器人操作臂的基本结构理论，包括：
1. 基础知识：动力学、静力学和轨迹规划；
2. 机构技术：执行器、传感器和控制单元的运用。
随后，书中进一步探讨了更高级的主题：
1. 机器人操作臂的动力学和运动控制；
2. 利用外部感知传感器（如力和视觉）进行环境交互；
3. 移动机器人技术；
4. 运动规划方法。
附录中提供了如刚体力学、反馈控制等基础领域的背景知识，以便学生能有一个一致的学习平台。问题的提出和解决工具的建立旨在提供工程导向的解决方案，而不是过于理论化的方法。为了提升实践技能，书中穿插了超过60个详尽的示例和案例研究，并且频繁使用模拟来辅助理解。此外，书末还提供了近150个章节练习题，配合免费提供的解决方案手册和MATLAB®代码，以供计算机问题的解决。这本书适用于具有强烈机器人学内容的自动化、计算机、电气、电子和机械工程的本科高年级和研究生课程。
作为"Advanced Textbooks in Control and Signal Processing"系列的一部分，这本书由Michael J. Grimble和Michael A. Johnson两位教授主编，他们分别是工业系统教授和控制系统的名誉教授，以及工业控制中心的主任和副导演，隶属于斯特拉斯克莱德大学电子与电气工程系。
本系列的其他书籍还包括遗传算法、最优估计、离散时间信号处理、神经网络在动态系统建模和控制中的应用、工业系统中的故障检测和诊断、软计算、统计信号处理、离散时间随机过程（第二版）、并行计算在实时信号处理和控制中的应用以及多变量控制等多个领域，这些书籍共同构建了一个全面的控制系统和信号处理的教育框架。
xviii Contents
2.8.3 Closed Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.9 Kinematics of Typical Manipulator Structures . . . . . . . . . . . . . 68
2.9.1 Three-link Planar Arm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.9.2 Parallelogram Arm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.9.3 Spherical Arm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.9.4 Anthropomorphic Arm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.9.5 Spherical Wrist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.9.6 Stanford Manipulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.9.7 Anthropomorphic Arm with Spherical Wrist . . . . . . . . . 77
2.9.8 DLR Manipulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.9.9 Humanoid Manipulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.10 Joint Space and Operational Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.10.1 Workspace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.10.2 Kinematic Redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.11 Kinematic Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.12 Inverse Kinematics Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.12.1 Solution of Three-link Planar Arm . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.12.2 Solution of Manipulators with Spherical Wrist . . . . . . . 94
2.12.3 Solution of Spherical Arm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.12.4 Solution of Anthropomorphic Arm . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.12.5 Solution of Spherical Wrist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Problems..............................................100
3 Differential Kinematics and Statics ........................105
3.1 GeometricJacobian ....................................105
3.1.1 Derivative of a Rotation Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.1.2 Link Velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.1.3 Jacobian Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.2 Jacobian of Typical Manipulator Structures . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.2.1 Three-link Planar Arm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.2.2 Anthropomorphic Arm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.2.3 Stanford Manipulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.3 Kinematic Singularities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.3.1 Singularity Decoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.3.2 Wrist Singularities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.3.3 Arm Singularities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.4 Analysis of Redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.5 Inverse Differential Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.5.1 Redundant Manipulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.5.2 Kinematic Singularities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.6 AnalyticalJacobian ....................................128
3.7 Inverse Kinematics Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.7.1 Jacobian (Pseudo-)inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.7.2 Jacobian Transpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
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